水稻恶苗病抗性相关基因的鉴定及多抗基因的聚合育种利用

发布时间：2017-12-16 23:01

  本文关键词：水稻恶苗病抗性相关基因的鉴定及多抗基因的聚合育种利用

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【摘要】：水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的粮食作物之一,养活50%的世界人口。与其它作物类似,水稻也会遭遇许多病害,对产量造成一定的损伤。由F.fujikuroi真菌造成的水稻恶苗病,可导致作物产量减少达40%以上,造成巨大的经济损失。因此,非常有必要对恶苗病做一个系统的的研究,为恶苗病抗性的分子遗传机制研究的突破和深入研究提供参考。另外,抗性基因的挖掘最终是为了育种利用,目前,稻瘟病、白叶枯病、纹枯病、恶苗病、稻曲病、褐飞虱和白背飞虱等病虫害对水稻造成很大的产量损失。选育具有多抗基因的新品系,对确保水稻的产量安全至关重要。本研究对不同水稻品种接种恶苗病前后的幼苗进行mRNA测序和蛋白质组相对定量分析,同时利用RIL永久群体进行恶苗病抗性的QTL定位研究,通过转录组与蛋白组定量联合分析,以及QTL定位的结果,鉴定差异表达基因、差异表达蛋白和恶苗病抗性相关QTLs,阐述恶苗病抗性的分子遗传机制,为恶苗病抗性基因的克隆和育种利用奠定基础。在抗性基因的育种利用方面,本研究通过分子标记辅助选择(MAS)技术聚合抗病和抗褐飞虱基因,选育新的恢复系,并评价新品系在两年不同气候条件下人工接种病虫后的抗性表现。研究结果有利于水稻的抗性育种。1、将1个中抗恶苗病的籼稻品种9311和1个感病的粳稻品种日本晴通过RNA-Seq测序进行表达谱分析。通过对照和处理的表达谱比较分析,9311品种共获得1,152个差异表达基因,日本晴则获得1,052个差异表达基因。进一步比较两个品种在转录组水平上的差异,发现两个品种存在不同的表达模式。通过GO注释和富集分析,虽然两个品种具有一样的与防御相关的GO条目,但有部分防御相关的GO条目在9311品种中特异性富集。对防御相关的差异表达基因的具体分析发现,部分WRKYs,WAK和MAP3Ks与9311品种的恶苗病抗性有关。OsWAK112d在9311品种中上调。在日本晴品种中,与抗非生物逆境胁迫有关的POEI基因上调表达。进一步分析了各染色体上差异表达基因占总转录本的比例,并结合已有文献关于恶苗病抗性相关QTL定位的结果,我们推测,9311品种感染恶苗病后,第1染色体上的与防御相关的WRKY和MARK基因被调控,这些基因可能发挥着重要作用。但还需对这些基因进一步的鉴定和功能验证,可为水稻抗恶苗病分子育种奠定基础。2、在转录组学研究的基础上,以抗病的9311品种接种恶苗病菌,利用TMT技术,研究其蛋白质组水平的变化。结果表明,鉴定到的蛋白数量为8694个,其中差异表达蛋白有116个,包括89个上调的和27个下调的差异表达蛋白；这说明当水稻面临病害等逆境时,往往需要通过调控更多蛋白的上调表达,来抵御病菌的侵入。差异表达蛋白的PATHWAY富集分析表明,富集程度最高的主要包括苯丙氨酸代谢,氮素代谢,苯丙素的生物合成,二萜类化合物的生物合成,花生四烯酸代谢和钙信号通路等。这些代谢通路直接或间接参与水稻对恶苗病菌的抗病反应。9311的蛋白组和转录组的关联性分析发现,蛋白质组水平上116个差异表达蛋白对应的基因与转录组水平发现的1152个差异表达基因之间共有22个基因关联,这些关联基因在转录组和蛋白质组水平的调控方向基本一致。GO注释和富集结果表明,这些关联基因主要在离子结合、囊泡和催化等方面发挥作用。研究结果为后续确定深入研究的代谢通路以及关键蛋白的鉴定提供依据。3、利用1个籼籼交重组自交系(RILs, Recombinant Inbred Lines)培矮64S/9311群体的132个株系,以及1个籼粳交重组自交系日本晴/9311群体的159个株系,进行恶苗病抗性的QTL定位,其中培矮64S/9311群体在接种恶苗病菌后分别对其徒长和苗重性状进行了分析和QTL定位,日本晴/9311群体群体调查了接种恶苗病菌后的徒长性状并进行QTL定位分析。根据两个RIL群体接种恶苗病菌后徒长和苗重变化的性状,以及定位群体已有的分子遗传图谱,共检测到7个QTL,能解释表型抗性变异的11.0%-22.3%。其中,以徒长为恶苗病菌处理后调查的性状,共检测到4个QTL(qBE1.1, qBE9, qBE1.2和qBE3),它们分布于第1、3、9染色体；以苗重为调查性状,共检测到3个QTL (qBWl, qBW3和qBW6),它们分布于第1、3、6染色体。徒长和苗重两个性状表现为极显著正相关。而且,QTL物理区间的比较发现,培矮64S/9311群体苗重性状相关的QTL和日本晴/9311的徒长性状相关的QTL的物理区间较接近,即,qBWl和qBE1.2、 qBW3和qBE3之间的物理区间有重叠。进一步查询表达谱分析获得的关键基因的物理距离,并与已报道的恶苗病抗性QTL以及本研究获得的QTL位点比较,发现恶苗病抗性相关的QTL或基因,基本上都分布在第1和3染色体上。4、通过杂交、回交,结合分子标记辅助选择技术,以及基于农艺性状的背景选择育种技术,获得10个具有抗稻瘟病、白叶枯病和／或褐飞虱基因的新品系。10个新品系中只有HR13具有3个病虫害的抗性基因。通过分子标记辅助选择技术,HR39, HR41,HR42和HR43这4个新品系聚合了稻瘟病和白叶枯病抗性基因,未对褐飞虱抗性基因进行检测和聚合,但也表现为三抗,即抗稻瘟病、白叶枯病和褐飞虱。这可能和它们的供体亲本中组14抗褐飞虱有关。聚合了Pi1和Pi2基因的新品系与具有单一抗性基因Pita的新品系在2013年的抗稻瘟病水平相当；但是,在2012年,该年田间小气候表现为稻瘟病易发气候,聚合了Pi1和Pi2基因的新品系比具有单一基因Pita的新品系抗性更好,可能Pita基因易受环境影响。
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S435.111.44

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本文编号：1297775